CN111734987A - 一种控光装置及其设计方法、照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控光装置及其设计方法、照明系统。其中，控光装置包括反光杯和光源模块，反光杯包括第一边沿和第二边沿，第一边沿位于第一平面，第二边沿位于第二平面，第一平面与第二平面相交，且第一平面与第二平面的夹角为φ，其中，90°＜φ＜180°，光源模块包括光源，光源位于第一平面和第二平面的交线与反光杯的中心轴的交点上，反光杯还包括自由曲面反射面，光源的出光面朝向自由曲面反射面，且光源的光轴垂直于反光杯的中心轴，其中，自由曲面反射面由光源的出光面的参数以及照射面的输出参数确定。本发明提供的控光装置及其设计方法、照明系统，实现了大长宽比的洗墙照明应用。

Description

一种控光装置及其设计方法、照明系统

技术领域

本发明实施例涉及照明技术领域，尤其涉及一种控光装置及其设计方法、照明系统。

背景技术

由于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有体积小、耗电量低、寿命长、亮度高、发热量低、坚固耐用等诸多优点，在照明领域的应用越来越广泛。

在某些照明应用中，需要利用反光杯对LED发出光线进行调制，以使光线照射到特定范围内，常见的反光杯将光源完全包覆住，无法在较大长宽比的条件下进行洗墙。

发明内容

本发明提供一种控光装置及其设计方法、照明系统，以实现大长宽比的洗墙照明应用。

第一方面，本发明实施例提供了一种控光装置，包括：

反光杯和光源模块；

所述反光杯包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿位于第一平面，所述第二边沿位于第二平面，所述第一平面与所述第二平面相交，且所述第一平面与所述第二平面的夹角为φ，其中，90°＜φ＜180°；

所述光源模块包括光源，所述光源位于所述第一平面和所述第二平面的交线与所述反光杯的中心轴的交点上；

所述反光杯还包括自由曲面反射面，所述光源的出光面朝向所述自由曲面反射面，且所述光源的光轴垂直于所述反光杯的中心轴，所述自由曲面反射面用于调制所述光源发出的光线，并在照射面形成预设光斑；

其中，所述自由曲面反射面由所述光源的出光面的参数以及所述照射面的输出参数确定。

可选的，所述光源的出光面包括N个子出光面，所述自由曲面反射面包括N个子反射面，所述照射面包括N个子照射面，N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应；每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面；所述子反射面包括多个第一边界顶点，所述子照射面包括多个第二边界顶点，所述第一边界顶点与所述第二边界顶点一一对应，所述子反射面满足：

；

其中，N为大于1的正整数，

为所述光源到所述第一边界顶点的入射光矢量，

为 所述第一边界顶点到对应的所述第二边界顶点的出射光矢量，

为所述自由曲面反射面在 所述第一边界顶点处的法向向量。

可选的，所述子反射面包括第一子反射面和第二子反射面，所述第一子反射面和所述第二子反射面分别位于中心光束的两侧，所述子照射面包括第一子照射面和第二子照射面，所述第一子照射面和所述第二子照射面分别位于所述中心光束的两侧，且所述第一子反射面与所述第一子照射面位于所述中心光束的同侧，所述第二子反射面与所述第二子照射面位于所述中心光束的同侧，所述中心光束为所述光源沿光轴出射的光束经所述自由曲面反射面反射后的光束；

所述第一子反射面与所述第二子照射面一一对应，所述第二子反射面与所述第一子照射面一一对应。

可选的，每个所述子出光面的光通量均相等，每个所述子照射面的面积均相等。

可选的，100°＜φ＜130°。

第二方面，本发明实施例还提供了一种控光装置的设计方法，应用于第一方面所述的任一控光装置，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤1、确定照射面上预设光斑的范围；

步骤2、将光源的出光面分为N个子出光面，根据预设光斑的范围将照射面分为N个子照射面，将反光杯的自由曲面反射面分为N个子反射面；

步骤3、将N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，将N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应，每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面，其中，N为大于1的正整数；

步骤4、根据每个所述子出光面的参数以及每个所述子照射面的输出参数确定所述子反射面的参数；

步骤5、将N个所述子反射面拼接形成反光杯的自由曲面反射面；

步骤6、确定自由曲面反射面的切割角度，所述切割角度为φ，其中，90°＜φ＜180°；

步骤7、根据所述切割角度对自由曲面反射面进行切割；

步骤8、根据所述切割角度，重复步骤2-5。

可选的，所述确定照射面上预设光斑的范围包括：

确定照射面上预设光斑的长宽比A：H：D，其中，A为所述控光装置与所述照射面的最短距离，H为所述照射面上预设光斑归一化后，在20％光强度处的垂直高度，D为所述照射面上预设光斑归一化后，在20％光强度处的水平宽度；

根据所述长宽比A：H：D，确定预设光斑的范围。

可选的，所述光源的出光面包括N个子出光面，所述自由曲面反射面包括N个子反射面，所述照射面包括N个子照射面，N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应；每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面；所述子反射面包括多个第一边界顶点，所述子照射面包括多个第二边界顶点；

根据每个所述子出光面的参数以及每个所述子照射面的输出参数确定所述子反射面的参数包括：

将所述子反射面的多个第一边界顶点与对应的所述子照射面的多个第二边界顶点一一对应；

根据公式

确定每个所述子反射面在所述第 一边界顶点处的法向向量

，其中，

为所述光源到所述第一边界顶点的入射光矢量，

为所述第一边界顶点到对应的所述第二边界顶点的出射光矢量。

可选的，将N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应包括：

在中心光束的一侧分别选取第一子照射面和第一子反射面，其中，所述中心光束为所述光源的中心出射的光束经所述自由曲面反射面反射后的光束；

在所述中心光束的另一侧分别选取第二子照射面和第二子反射面；

将所述第一子反射面与所述第二子照射面一一对应，将所述第二子反射面与所述第一子照射面一一对应。

第三方面，本发明实施例还提供了一种照明系统，包括第一方面所述的任一控光装置。

本发明实施例提供的控光装置，反光杯包括第一边沿和第二边沿，第一边沿位于第一平面，第二边沿位于第二平面，第一平面与第二平面相交，且第一平面与第二平面的夹角为φ，通过设置90°＜φ＜180°，使得光源发出的光线不会在反光杯内进行两次反射，使得光源发出的光线能够在照射面形成较大长宽比的光斑，从而实现大长宽比的洗墙照明应用。

附图说明

图1为现有的一种控光装置的侧视结构示意图；

图2为现有的一种控光装置的立体结构示意图；

图3为现有的一种控光装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种控光装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种反光杯的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种反光杯的正视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种俯视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种侧视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种后视结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种光源的出光面的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种控光装置的局部结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种控光装置的局部剖面结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种控光装置的剖面结构示意图；

图14为本发明实施例提供的一种控光装置的设计方法的流程示意图；

图15为本发明实施例提供的一种控光装置与墙面之间的位置关系示意图；

图16本发明实施例提供的一种预设光斑的结构示意图；

图17为本发明实施例提供的另一种控光装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为现有的一种控光装置的侧视结构示意图，图2为现有的一种控光装置的立体结构示意图，图3为现有的一种控光装置的结构示意图。参见图1-3，该控光装置包括反光杯10和光源11，反光杯10将光源11完全包覆，无法在较大长宽比的条件下进行洗墙。

示例性的，如图3所示，现有的控光装置的洗墙长宽比一般做在1：3：1~1：4：2左右，超过此比例的反光杯10如果如图1-3所示的全包覆式设计，会出现如图3所示的问题，本应沿虚线方向出射的光线会被反光杯10二次反射，最终沿粗线方向出射，因此，现有的控光装置无法在在墙面12上形成较大长宽比的光斑(如：长宽比>1：4：2或是长宽比>1：2：4)。

基于上述技术问题，本发明实施例提供一种控光装置，包括反光杯和光源模块，反光杯包括第一边沿和第二边沿，第一边沿位于第一平面，第二边沿位于第二平面，第一平面与第二平面相交，且第一平面与第二平面的夹角为φ，其中，90°＜φ＜180°，反光杯包括自由曲面反射面，自由曲面反射面用于调制光源发出的光线，并在照射面形成预设光斑，光源模块包括光源，光源位于第一平面和第二平面的交线与反光杯的中心轴的交点上，且光源的出光面朝向自由曲面反射面，光源的光轴垂直于反光杯的中心轴，其中，自由曲面反射面由光源的出光面的参数以及照射面的输出参数确定。采用上述技术方案，反光杯包括第一边沿和第二边沿，第一边沿位于第一平面，第二边沿位于第二平面，第一平面与第二平面相交，且第一平面与第二平面的夹角为φ，通过设置90°＜φ＜180°，使得光源发出的光线不会在反光杯内进行两次反射，使得光源211发出的光线能够在照射面形成较大长宽比的光斑，从而满足大长宽比( > 1：4：2 或 >1：2：4)的洗墙应用需求。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图4为本发明实施例提供的一种控光装置的结构示意图，图5为本发明实施例提供的一种反光杯的结构示意图，图6为本发明实施例提供的一种反光杯的正视结构示意图，图7为本发明实施例提供的一种俯视结构示意图，图8为本发明实施例提供的一种侧视结构示意图，图9为本发明实施例提供的一种后视结构示意图，如图4-9所示，本发明实施例提供的控光装置包括反光杯20和光源模块21，反光杯20包括第一边沿201和第二边沿202，第一边沿201位于第一平面31，第二边沿202位于第二平面32，第一平面31与第二平面32相交，且第一平面31与第二平面32的夹角为φ，其中，90°＜φ＜180°，光源模块21包括光源211，光源211位于第一平面31和第二平面32的交线33与反光杯20的中心轴34的交点上。反光杯20还包括自由曲面反射面203，光源的211出光面朝向自由曲面反射面203，且光源211的光轴35垂直于反光杯20的中心轴34，自由曲面反射面203用于调制光源211发出的光线，并在照射面40形成预设光斑，其中，自由曲面反射面203由光源211的出光面的参数以及照射面40的输出参数确定。

具体的，反光杯20的内侧壁为自由曲面反射面203。光源模块21包括光源211，光源211可以为LED，在其他实施例中，光源模块21还可包括光源固定结构212，示例性的，如图4所示，光源固定结构212的一端固定在反光杯20的一端，光源固定结构212的另一端延伸至自由曲面反射面203上方，光源固定结构212朝向自由曲面反射面203的一侧用于固定光源211，且使光源211的出光面朝向自由曲面反射面203。光源固定结构212内可以集成有光源211的驱动电路，例如，光源固定结构212为一电路板，电路板在垂直于电路板所在平面的方向上覆盖自由曲面反射面203的部分区域。

反光杯20包括第一边沿201和第二边沿202，第一边沿201位于第一平面31，第二边沿202位于第二平面32，第一平面31与第二平面32相交，且第一平面31与第二平面32的夹角为φ，其中，90°＜φ＜180°，光源211位于第一平面31和第二平面32的交线33与反光杯20的中心轴34的交点上，且光源211的光轴35垂直于反光杯20的中心轴34，如图4所示，自由曲面反射面203用于调制光源211发出的光线，通过设置90°＜φ＜180°，光源211发出的光线不会在反光杯20内进行两次反射，使得光源211发出的光线能够在照射面40形成预设分布的光斑，例如较大长宽比的光斑，通从而适应不同照明场景下的需求。

本发明实施例提供的控光装置，反光杯20包括第一边沿201和第二边沿202，第一边沿201位于第一平面31，第二边沿202位于第二平面32，第一平面31与第二平面32相交，且第一平面31与第二平面32的夹角为φ，通过设置90°＜φ＜180°，使得光源211发出的光线不会在反光杯20内进行两次反射，使得光源211发出的光线能够在照射面40形成较大长宽比的光斑，从而实现大长宽比的洗墙照明应用。

图10为本发明实施例提供的一种光源的出光面的结构示意图，图11为本发明实施例提供的一种控光装置的局部结构示意图，图12为本发明实施例提供的一种控光装置的局部剖面结构示意图，可选的，光源211的出光面50包括N个子出光面51，自由曲面反射面203包括N个子反射面52，照射面40包括N个子照射面41，N个子出光面51与N个子反射面52一一对应，N个子反射面52与N个子照射面41一一对应，每个子出光面51出射的光经对应的一子反射面52反射至对应的一子照射面41，子反射面52包括多个第一边界顶点521，子照射面41包括多个第二边界顶点411，第一边界顶点521与第二边界顶点411一一对应，子反射面52满足：

；

其中，N为大于1的正整数，

为光源211到第一边界顶点521的入射光矢量，

为第一 边界顶点521到对应的第二边界顶点411的出射光矢量，

为自由曲面反射面203在第一边 界顶点521处的法向向量。

其中，自由曲面反射面203根据照射面40的范围进行设计，照射面40可根据实际需要的光斑大小进行定义，以适应不同照明场景下的需求。光源211的出光面50包括N个子出光面51，自由曲面反射面203包括N个子反射面52，照射面40包括N个子照射面41，N个子出光面51与N个子反射面52一一对应，N个子反射面52与N个子照射面41一一对应，每个子出光面51出射的光经对应的一子反射面52反射至对应的一子照射面41。其中，N为大于1的正整数，可以理解的是，若光源211的出光面50、照射面40以及自由曲面反射面203分割的份数太少，可能达不到精度要求，分割的份数越多，理论上精度越高，然而实际加工可能无法达到要求，在本实施例中，可设计20≤N≤2000。在其他实施例中，例如对光束的照明精度要求较低时，也可以设计N小于20，以降低计算和加工难度；对光束照明的精度要求高时，也可以设计N的数值大于2000，以加工出更精细的自由曲面，满足某些特殊领域照明需求。

继续参考图11，子反射面52包括多个第一边界顶521，子照射面41包括多个第二边界顶点411，第一边界顶点521与第二边界顶点411一一对应，第一边界顶点521为子反射面52和与其相邻的子反射面52的公共边之间的交点，第二边界顶点411为子照射面41和与其相邻的子照射面41的公共边之间的交点。

示例性的，如图11和图12所示，一个子反射面52包括四个第一边界顶点521，一个 子照射面41同样包括四个第二边界顶点411，子反射面52的四个第一边界顶点521和对应的 子照射面41的四个第二边界顶点411一一对应，参考图12，子反射面52的多个第一边界顶点 521分别为P₀-P₆，子照射面41的多个第二边界顶点411分别为y₀-y₆，第一边界顶点P₀-P₆与第 二边界顶点y₀-y₆一一对应，设置子反射面52满足

，

为光源211到第一边界顶点521的入射光矢量，

为第一边界顶点521到对应的第二边 界顶点411的出射光矢量，

为自由曲面反射面203在第一边界顶点521处的法向向量。例 如，如图12所示，在第一边界顶点P₀处，

，

为光源211到第一边界顶点P₀的入射光矢量，

为第一边界顶点P₀到对应的第二边界 顶点y₀的出射光矢量，

为自由曲面反射面101在第一边界顶点P₀处的法向向量，从而使得 光源211沿θ₀角度方向出射的光线经子反射面52的第一边界顶点P₀处反射至子照射面41的 第二边界顶点y₀处，同理，光源211沿θ₁角度方向出射的光线经子反射面52的第一边界顶点 P₁处反射至子照射面41的第二边界顶点y₁处，以此类推，通过将N个子出光面51与N个子反射 面52一一对应，N个子反射面52与N个子照射面41一一对应，从而将光源211发出的光线分配 到照射面40，从而在照射面40形成特定长宽比的光斑。

图13为本发明实施例提供的一种控光装置的剖面结构示意图，如图13所示，可选的，子反射面52包括第一子反射面522和第二子反射面523，第一子反射面522和第二子反射面523分别位于中心光束524的两侧，子照射面41包括第一子照射面412和第二子照射面413，第一子照射面412和第二子照射面413分别位于中心光束524的两侧，且第一子反射面522与第一子照射面412位于中心光束524的同侧，第二子反射面523与第二子照射面413位于中心光束524的同侧，中心光束524为光源211沿光轴35出射的光束经自由曲面反射面203反射后的光束，第一子反射面522与第二子照射面413一一对应，第二子反射面522与第一子照射面412一一对应。

其中，如图13所示，中心光束524上方的为第一子反射面522和第一子照射面412，中心光束524下方的为第二子反射面523和第二子照射面413，第一子反射面522与第二子照射面413一一对应，第二子反射面523与第一子照射面412一一对应为例，具体的，光源211沿θ₆角度方向出射的光线经子反射面52的第一边界顶点P₆处反射至子照射面41的第二边界顶点y_-6处，光源211沿θ₅角度方向出射的光线经子反射面52的第一边界顶点P₅处反射至子照射面41的第二边界顶点y_-5处，以此类推，从而将光源211发出的光线经自由曲面反射面203分配到照射面40，从而在墙面形成预设光斑。通过设置中心光束524上方的第一子反射面522将光源211发出的光线反射至中心光束524下方的第二子照射面413，中心光束524下方的第二子反射面523将光源211发出的光线反射至中心光束524上方的第一子照射面412，可避免部分光线被光源固定结构212遮挡，从而提高光源利用率。

可选的，每个子出光面51的光通量均相等，每个子照射面41的面积均相等。

其中，由于N个子出光面51与N个子反射面52一一对应，通过设置每个子出光面51的光通量均相等，使得每个子照射面41接收到的光通量相等，由于N个子反射面41与N个子照射面41一一对应，使得每个子照射面41接收到的光通量相等，通过设置每个子照射面41的面积均相等，使得每个子照射面41的光强度相等，从而使得控光装置在照射面40形成均匀强度分布的光斑，提高照明效果。

继续参考图10，可选的，光源211的出光面50可设置为球面，子出光面51的光强度满足：

, i=0,1,…,N-1,θ₀=0,θ₉₀=90°；

其中，

和

分别表示第

个子出光面22的起始角与终止角，

表示出光面50的顶点 光强。

具体的，将球面按照经纬线划分为N个子出光面51。将光源211看作郎伯光源，通过 设置子出光面51的光强度满足

, i=0,1,…,N- 1,θ₀=0,θ₉₀=90°，保证每个子出光面51的光通量相等。其中，如图10所示，光源211的光轴用Z 轴表示，光源111的中心用原点O表示,

和

分别表示第

个子出光面51的起始角与终止 角，子出光面51的起始角为子出光面51的起始纬线和原点O之间的连线与Z轴之间的夹角， 子出光面51的终止角为子出光面51的终止纬线和原点O之间的连线与Z轴之间的夹角，

表 示出光面51的顶点光强，顶点光强为光源211沿Z轴方向的光强。

可选的，100°＜φ＜130°。

其中，通过设置100°＜φ＜130°，在保证光源211发出的大部分光被自由曲面反射面203反射至照射面40的预设位置的同时，保证光源211发出的光线不会在反光杯20内进行两次反射，从而实现大长宽比的洗墙照明应用。

需要注意的是，在其他实施例中，控光装置还可包括其他所需的结构，例如光源211的功率较大，发热量较大时，还可以在光源固定结构212上设置有助于光源散热的散热结构，具体实施时可以根据实际需求设计。

本发明实施例提供的控光装置，通过设置光源211的出光面50包括N个子出光面 51，自由曲面反射面203包括N个子反射面52，照射面40包括N个子照射面41，N个子出光面51 与N个子反射面52一一对应，N个子反射面52与N个子照射面41一一对应，子反射面52包括多 个第一边界顶点521，子照射面41包括多个第二边界顶点411，第一边界顶点521与第二边界 顶点411一一对应，使子反射面52满足：

，其中，N 为大于1的正整数，

为光源211到第一边界顶点521的入射光矢量，

为第一边界顶点 521到对应的第二边界顶点411的出射光矢量，

为自由曲面反射面203在第一边界顶点521 处的法向向量，以使每个子出光面51出射的光经对应的一子反射面52反射至对应的一子照 射面41，从而实现光源发出光线的分布可控，使照射面按照的照明要求在照射面40形成预 设大长宽比的光斑。通过设置100°＜φ＜130°，保证光源211发出的光线不会在反光杯20内 进行两次反射，实现大长宽比的洗墙照明应用的同时，最大限度的将源211发出的光完全投 射到相对应的照射面40上，提高光源利用效率。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种控光装置的设计方法，应用于上述实施例提供的任一控光装置，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，图14为本发明实施例提供的一种控光装置的设计方法的流程示意图，如图14所示，所述设计方法包括：

步骤1、确定照射面上预设光斑的范围。

其中，照射面40上预设光斑的范围可根据实际需要进行定义，以适应不同照明场景下的需求。

步骤2、将光源的出光面分为N个子出光面，根据预设光斑的范围将照射面分为N个子照射面，将反光杯的自由曲面反射面分为N个子反射面。

其中，可使每个子出光面的光通量均相等，每个子照射面的面积均相等，从而将等能量的光线藉由反光杯分配到等面积的子照射面上，使得每个子照射面的光强度相等，从而使得控光装置在预设照射面形成均匀强度分布的光斑，提升照明的均匀度。

步骤3、将N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，将N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应，每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面，其中，N为大于1的正整数。

其中，N个子反射面与N个子照射面的对应关系可根据实际需求进行设置。

步骤4、根据每个所述子出光面的参数以及每个所述子照射面的输出参数确定所述子反射面的参数。

该过程可以通过计算机模拟，其中子出光面的参数包括子出光面的强度分布、传输到子反射面的距离等参数，子照射面的参数包括子照射面的强度分布、传输距离等参数，子反射面根据相关参数以及反射定律计算其自由曲面的面型参数。其中，自由曲面的面型可以为椭球面，贝塞尔曲面等。

步骤5、将N个所述子反射面拼接形成反光杯的自由曲面反射面。

其中，此时得到的自由曲面反射面为全包覆式的自由曲面反射面。

步骤6、确定自由曲面反射面的切割角度，所述切割角度为φ，其中，90°＜φ＜180°。

其中，对上述步骤得到的全包覆式的自由曲面反射面进行仿真，确定自由曲面反射面会发生二次反射的部分，进而确定切割角度φ。从而获得特定的长宽比应用时的最佳出光角度，并在后续合理的重新描绘出此长宽比应用时的自由曲面反射面轮廓。例如，长宽比为 1：6：2时，计算出的切割角度φ约在 100~130度左右。

步骤7、根据所述切割角度对自由曲面反射面进行切割。

其中，根据切割角度φ对上述步骤中得到的全包覆式的自由曲面反射面进行切割，从而将会发生二次反射的自由曲面反射面的部分去除，避免大角度的光线会2次打到自由曲面反射面上，从而使得大角度的光线不会受到自由曲面反射面的2次反射给干扰，实现大长宽比的洗墙照明应用。

步骤8、根据所述切割角度，重复步骤2-5。

其中，根据切割角度φ，将光源的出光面分为N个子出光面，根据预设光斑的范围将照射面分为N个子照射面，将切割后的自由曲面反射面分为N个子反射面。接着重复步骤3-5，得到最终的自由曲面反射面。

可选的，所述确定照射面上预设光斑的范围包括：

确定照射面上预设光斑的长宽比A：H：D，其中，A为所述控光装置与所述照射面的最短距离，H为所述照射面上预设光斑归一化后，在20％光强度处的垂直高度，D为所述照射面上预设光斑归一化后，在20％光强度处的水平宽度；

根据所述长宽比A：H：D，确定预设光斑的范围。

其中，图15为本发明实施例提供的一种控光装置与墙面之间的位置关系示意图，图16本发明实施例提供的一种预设光斑的结构示意图，如图15和图16所示，控光装置可安装在天花板处， 首先定义预设光斑60的长宽比，以A：H：D表示，长宽比A：H：D可简易直观的评价出控光装置的洗墙特性，譬如：长宽比是1：3：1的控光装置，适用于洗较高的墙面使用，如果长宽比是1：1：3，就适用于洗较宽的墙面使用，以此类推。其中，A为控光装置30与照射面40的最短距离，H为照射面40上预设光斑60归一化后，在20％光强度处的垂直高度，D为照射面40上预设光斑60归一化后，在20％光强度处的水平宽度。预设光斑60的长宽比可根据实际需求进行设计，确定长宽比之后，根据控光装置30与照射面40之间的距离即可确定预设光斑60的范围。照射面40的范围可包含墙面，也可包含地面。

可选的，所述光源的出光面包括N个子出光面，所述自由曲面反射面包括N个子反射面，所述照射面包括N个子照射面，N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应；每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面；所述子反射面包括多个第一边界顶点，所述子照射面包括多个第二边界顶点。根据每个所述子出光面的参数以及每个所述子照射面的输出参数确定所述子反射面的参数包括：

将所述子反射面的多个第一边界顶点与对应的所述子照射面的多个第二边界顶点一一对应。

根据公式

确定每个所述子反射面在所 述第一边界顶点处的法向向量

，其中，

为所述光源到所述第一边界顶点的入射光矢量，

为所述第一边界顶点到对应的所述第二边界顶点的出射光矢量。

图17为本发明实施例提供的另一种控光装置的剖面结构示意图，如图17所示，示 例性的，首先确定反光杯20的深度d1，反光杯20的深度为光源211沿光轴35方向与反光杯20 的距离，根据反光杯20的深度d1确定图12中P₀点的坐标为（0，0，d1），则光源211到P₀点为P₀ 点处的入射光矢量

₀，P₀点到子照射面41的y₀为P₀点处的出射光矢量

₀，根据公式

确定子反射面52在第一边界顶点P₀处的 法向向量

₀，然后根据子反射面52在第一边界顶点P₀处的法向向量

₀与下一入射角度θ₁确 定第一边界顶点P₁，具体的，根据子反射面52在第一边界顶点P₀处的法向向量

₀确定自由 曲面反射面203在P₀点处的切平面，光源211沿θ₁方向出射的光线与自由曲面反射面203在P₀ 处的切平面的交点为第一边界顶点P₁，则光源211到P₁点为P₁点处的入射光矢量

，P₁点到 子照射面41的y_-1点为P₁点处的出射光矢量

，根据公式

确定子反射面52在第一边界顶点P₁处的法向 向量

₁，然后根据子反射面52在第一边界顶点P₁处的法向向量

₁与下一入射角度θ₂确定第 一边界顶点P₂，重复上述步骤依次计算P₃、P₄直到P₆=90°。同理，根据子反射面23在第一边界 顶点P₀处的法向向量

与入射角度θ_-1确定第边界顶点P_-1，由前一点的切平面与下一入射 角度光线所在直线相交可得出下一第一边界顶点坐标，依次计算P_-2、P_-3直到P_-6=-90°，进而 确定自由曲面反射面203上全部子反射面52的第一边界顶点521的坐标，此时得到的自由曲 面反射面为全包覆式的自由曲面反射面。

在自由曲面反射面被切割后，继续参考图13，根据切割角度φ，将光源的出光面分为N个子出光面，根据预设光斑的范围将照射面分为N个子照射面，将切割后的自由曲面反射面分为N个子反射面。接着重复上述步骤，得到最终的自由曲面反射面。

可选的，将N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应包括：

在中心光束的一侧分别选取第一子照射面和第一子反射面，其中，所述中心光束为所述光源的中心出射的光束经所述自由曲面反射面反射后的光束。

在所述中心光束的另一侧分别选取第二子照射面和第二子反射面。

将所述第一子反射面与所述第二子照射面一一对应，将所述第二子反射面与所述第一子照射面一一对应。

继续参考图13，将第一子反射面522与第二子照射面413一一对应，将第二子反射面523与第一子照射面412一一对应，以避免部分光线被光源固定结构212遮挡，从而提高光源利用率。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种照明系统，本发明实施例提供的照明系统包括上述实施例提供的任一控光装置，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述。其中，本发明实施例提供的照明系统可以为洗墙灯，并可用于洗高的墙面及洗宽的墙面，照明系统可包括一个控光装置，也可包括多个控光装置。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种控光装置，其特征在于，包括：

反光杯和光源模块；

所述反光杯包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿位于第一平面，所述第二边沿位于第二平面，所述第一平面与所述第二平面相交，且所述第一平面与所述第二平面的夹角为φ，其中，90°＜φ＜180°；

所述光源模块包括光源，所述光源位于所述第一平面和所述第二平面的交线与所述反光杯的中心轴的交点上；

所述反光杯还包括自由曲面反射面，所述光源的出光面朝向所述自由曲面反射面，且所述光源的光轴垂直于所述反光杯的中心轴，所述自由曲面反射面用于调制所述光源发出的光线，并在照射面形成预设光斑；

所述光源的出光面包括N个子出光面，所述自由曲面反射面包括N个子反射面，所述照射面包括N个子照射面，N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应；每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面；所述子反射面包括多个第一边界顶点，所述子照射面包括多个第二边界顶点，所述第一边界顶点与所述第二边界顶点一一对应，所述子反射面满足：

；

其中，N为大于1的正整数，

为所述光源到所述第一边界顶点的入射光矢量，

为所 述第一边界顶点到对应的所述第二边界顶点的出射光矢量，

为所述自由曲面反射面在 所述第一边界顶点处的法向向量。

2.根据权利要求1所述的控光装置，其特征在于，所述子反射面包括第一子反射面和第二子反射面，所述第一子反射面和所述第二子反射面分别位于中心光束的两侧，所述子照射面包括第一子照射面和第二子照射面，所述第一子照射面和所述第二子照射面分别位于所述中心光束的两侧，且所述第一子反射面与所述第一子照射面位于所述中心光束的同侧，所述第二子反射面与所述第二子照射面位于所述中心光束的同侧，所述中心光束为所述光源沿光轴出射的光束经所述自由曲面反射面反射后的光束；

所述第一子反射面与所述第二子照射面一一对应，所述第二子反射面与所述第一子照射面一一对应。

3.根据权利要求1所述的控光装置，其特征在于，每个所述子出光面的光通量均相等，每个所述子照射面的面积均相等。

4.根据权利要求1所述的控光装置，其特征在于，100°＜φ＜130°。

5.一种控光装置的设计方法，应用于权利要求1-4任一项所述的控光装置，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤1、确定照射面上预设光斑的范围；

步骤2、将光源的出光面分为N个子出光面，根据预设光斑的范围将照射面分为N个子照射面，将反光杯的自由曲面反射面分为N个子反射面；

步骤3、将N个所述子出光面与N个所述子反射面一一对应，将N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应，每个所述子出光面出射的光经对应的一所述子反射面反射至对应的一所述子照射面，其中，N为大于1的正整数；

步骤4、根据每个所述子出光面的参数以及每个所述子照射面的输出参数确定所述子反射面的参数；

步骤5、将N个所述子反射面拼接形成反光杯的自由曲面反射面；

步骤6、确定自由曲面反射面的切割角度，所述切割角度为φ，其中，90°＜φ＜180°；

步骤7、根据所述切割角度对自由曲面反射面进行切割；

步骤8、根据所述切割角度，重复步骤2-5。

6.根据权利要求5所述的控光装置的设计方法，其特征在于，所述确定照射面上预设光斑的范围包括：

确定照射面上预设光斑的长宽比A：H：D，其中，A为所述控光装置与所述照射面的最短距离，H为所述照射面上预设光斑归一化后，在20％光强度处的垂直高度，D为所述照射面上预设光斑归一化后，在20％光强度处的水平宽度；

根据所述长宽比A：H：D，确定预设光斑的范围。

7.根据权利要求6所述的控光装置的设计方法，其特征在于，

所述子反射面包括多个第一边界顶点，所述子照射面包括多个第二边界顶点；

根据每个所述子出光面的参数以及每个所述子照射面的输出参数确定所述子反射面的参数包括：

将所述子反射面的多个第一边界顶点与对应的所述子照射面的多个第二边界顶点一一对应；

根据公式

确定 每个所述子反射面在所述第一边界顶点处的法向向量

，其中，

为所述光源到所述第一 边界顶点的入射光矢量，

为所述第一边界顶点到对应的所述第二边界顶点的出射光矢 量。

8.根据权利要求6所述的控光装置的设计方法，其特征在于，将N个所述子反射面与N个所述子照射面一一对应包括：

在中心光束的一侧分别选取第一子照射面和第一子反射面，其中，所述中心光束为所述光源的中心出射的光束经所述自由曲面反射面反射后的光束；

在所述中心光束的另一侧分别选取第二子照射面和第二子反射面；

将所述第一子反射面与所述第二子照射面一一对应，将所述第二子反射面与所述第一子照射面一一对应。

9.一种照明系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的控光装置。

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